齒面的激光熔覆修復工藝

楊 毅 曾慶生

（南華大學工程訓練中心，湖南 衡陽 421001）

傳統(tǒng)齒輪齒面的修復法有電鍍法、熱噴涂法和堆焊法。電鍍法的鍍層結合強度低且耐磨性差，熱噴涂法變形大，而堆焊法工藝較復雜，都不太適合形狀復雜齒面修復的工業(yè)應用。激光熔覆修復是以激光作為熱源，通過在損壞齒面添加粉末材料，利用激光束的高能量密度使之與齒面薄層熔凝并形成冶金結合，從而恢復齒廓形貌。激光加工可進行局部及有選擇性的修復處理，具有工藝性靈活、修復層與齒面結合牢固、熱影響小、組織致密、稀釋率低等優(yōu)點，非常適合齒輪的齒面修復應用。

一、齒面激光熔覆

1.試驗裝置和材料

試驗設備：TJ-HL-T5000型恒流電激勵連續(xù)CO2激光器，PMAC五軸聯(lián)動數(shù)控機床，JKF-6型激光寬帶涂敷送粉器。

試驗材料：45鋼斜齒輪軸整體結構，齒數(shù)25，螺旋角15°28′34″，法面模數(shù)4mm，法面壓力角20°；粉末材料為Ni60粉末，化學組分為：C0.6%～0.8%，Cr15.0%～16.5%，Si4.4%～5.0%，B2.5%～3.5%，F(xiàn)e≤5.0%。

試驗方案：采用側向送粉方式，送粉噴嘴的位置在激光束的一側，粉末和激光束相交于一點，單向送粉單向掃描，如圖1所示。齒輪熔覆采用軸向分齒跳齒掃描法，光束不動，齒輪沿軸線方向作直線運動，齒輪同步旋轉。

2.試驗過程

本研究采用的齒面激光熔覆修復的工藝過程如下。

（1）采用無損探傷法對損壞齒輪進行檢測，判斷是否具有修復價值。

（2）根據(jù)失效齒輪的幾何參數(shù)與變化規(guī)律，確定最佳掃描方法。

（3）在平面樣塊上實驗，得到激光熔覆最佳工藝參數(shù)組合。

（4）根據(jù)損壞齒面情況設計激光掃描軌跡，編制相應計算機控制程序。

（5）清洗齒面，去除損壞處氧化膜和污垢，以便熔融金屬粉末能潤濕齒輪基體。

（6）在齒輪表面單道熔覆成形，使覆層與基體形成冶金結合。

（7）對面積較大損壞，在第一道的基礎上熔覆第二道，使第二道與第一道搭接平整。

（8）對齒面損壞較深處，在第一層的基礎上熔覆第二層，使第二層與第一層形成冶金結合。

（9）重復以上過程，直到將整個損壞齒輪修復完為止。

（10）對修復后齒面進行適當后續(xù)機加工，恢復原有漸開線齒廓形狀，并進行質量檢測。

3.熔覆工藝

（1）單道熔覆。

齒面輪廓復雜，為了獲得理想的激光熔覆工藝參數(shù)，先在大量探索性實驗基礎上確定一個工藝參數(shù)范圍。根據(jù)正交法原理，以激光功率P、送粉量G、掃描速度V為因子安排L9（34）正交實驗，通過評價覆層外觀、外形及稀釋率，最后確定P=1.8kW、G=80r/min、V=3.8mm/s，試驗結果為熔覆層表面光滑、外形規(guī)則并形成冶金結合，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化工藝參數(shù)下單道覆層形貌

（2）多層熔覆。

因單道熔覆層厚度有限，對損壞較嚴重齒面還需進行多層修復。因多層熔覆時基體已不再是平面而是弧形，通過多次試驗，發(fā)現(xiàn)影響覆層高度的因素很復雜，沒有實時閉環(huán)監(jiān)測是無法精確控制的。最終將預先測得初始五層燒結高度的平均值作為分層基準，實踐證明效果較好。在多層熔覆試樣上用顯微硬度計測量硬度值，發(fā)現(xiàn)寬度方向上硬度相差很小，深度方向上的硬度如圖3所示，硬度分布比較均勻，且大大超過了粉末的硬度，能夠強化修復齒面，提高其耐磨性。

圖3 修復層深度方向上顯微硬度分布曲線

（3）多道搭接。

在齒輪修復中，不僅有各個磨損部位個別修復的要求，有時還需要對一個齒面進行整體修復。但由于光斑尺寸小，單道燒結的寬度十分有限，對大模數(shù)齒面激光熔覆只能采用多道搭接。搭接率的大小將直接影響到齒面修復層的表面平整和修復效果。若搭接率太小，兩道之間會有一條明顯的凹陷區(qū)，若搭接率太大，整個涂層表面呈現(xiàn)一斜坡。根據(jù)搭接系數(shù)確定的理論依據(jù)和實驗驗證，當搭接系數(shù)為20%時修復層表面平整。

二、熔覆層缺陷控制

1.修復精度和表面質量

大面積的齒面修復層表面雖較平整，但很粗糙，精度較低，必須經過后續(xù)切削加工才能重新投入使用。究其原因，一是因為粉末輸送的不均勻和激光功率等工藝參數(shù)的不穩(wěn)定，造成單道厚度、寬度發(fā)生變化；二是采用側向同步送粉沿齒面掃描時，漸開面上各點的粉末運動方向與激光束掃描速度方向的夾角不一致，導致各點的粉末堆積形狀發(fā)生變化；三是熔池中凝固組織在高溫狀態(tài)下發(fā)生氧化，在修復層外表面形成了氧化皮外殼。通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用反復逐層機械修整的方法可以大大提高修復精度和表面質量。

2.裂紋和氣孔

對齒面進行多道多層激光熔覆后，修復層表面會產生明顯的裂紋和氣孔。氣孔主要是由于粉末熔化過程中產生的氣體在快速凝固時來不及逃逸出表面所致。在實驗前對Ni60粉末烘干，并適當調整工藝參數(shù)，減緩熔池冷卻結晶速度有利于氣體的逃逸。

激光熔覆過程修復層經受一個極為不均勻的快熱快冷作用，熔池在快速凝固及隨后的快速冷卻中將產生內應力，這是導致齒面修復層開裂的主要原因。另外，Ni60粉末中B、Si元素的存在，使得熔覆層中會產生硅化物和硼化物等脆硬相，降低了修復層的延展性，增加了開裂傾向。輪齒修復前對齒面進行一定溫度的預熱、修復后再進行一定的后處理，可降低溫度梯度從而降低開裂可能。

3.齒頂塌陷

齒輪傳動時，主動齒輪齒頂將推動從動齒輪齒根運動。齒面激光熔覆時齒頂會發(fā)生塌陷現(xiàn)象，將影響傳動平穩(wěn)性。齒頂塌陷主要是由于激光照射時熱量向齒面邊緣擴散，位于邊緣的齒頂橫向剖面積小，熱集聚效應明顯。此外，齒輪齒廓曲線為漸開線，熔融液體從高處向低處流，齒頂熔池里的熔液向兩側流動造成齒頂材料的流失而塌陷。

在激光功率、光斑尺寸不變的情況下，通過增加送粉量或減小掃描速度，使齒頂基體盡量少熔化可減緩塌陷。另外，通過實驗驗證，齒頂采用預置粉末法，先用較低的激光功率掃描，使小部分粉末熔化或微熔，依靠這部分粉末使大量的粉末粘結成團附著在齒頂表面，再進行正式的激光熔覆，基本能解決齒頂塌陷問題。

三、結語

（1）利用激光熔覆技術對失效齒面進行了激光熔覆修復。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，得到了表面平整、稀釋率低、具有良好冶金結合且硬度較高的修復層。

（2）通過采用反復逐層機械修整的方法提高了齒面修復精度和表面質量，對輪齒修復前的預熱和修復后的后處理降低了開裂的可能，對熔覆粉末烘干并適當調整工藝參數(shù)解決了氣孔問題，采用粉末預置二次掃描基本解決了齒頂塌陷問題。

[1]趙麗娟，史輝.齒輪傳動中磨損問題的研究及修復方法綜述[J].中國工程機械學報，2007，5（2）：243-245.

[2]陳列，謝沛霖.齒面激光熔覆中的防邊緣塌陷工藝研究[J].激光技術，2007，31（5）：518-521.

[3]吳健.影響激光熔覆層品質的主要因素分析[J].機械制造與自動化，2004，33（4）：52-56.

[4]董世運，張曉東.45鋼凸輪軸磨損凸輪的激光熔覆再制造[J].裝甲兵工程學院學報，2011，25（2）：85-88.

[5]徐家樂，李忠國.激光熔覆層裂紋缺陷的研究進展[J].熱加工工藝，2013，42（8）：6-9.